Surface gravity modelling and space gravimeter development in the context of solar system small bodies

Small bodies in the Solar System hold an exciting position in the family of celestial bodies, as they might play a key role in understanding the formation of our heliocentric system, and, ultimately, life. Unlike (terrestrial) planets and larger natural satellites (moons), small bodies have experienced far less transformation, comparing today's state with theirs state in the early Solar System. These objects are therefore sometimes referred to as “time capsules of the Solar System”. It is hence little surprising that various space exploration missions target these bodies. Here, it is not solely the sciences that drive all missions, but likewise a new discipline referred to as “planetary defense”, where capabilities to deflect asteroids from an apocalyptical collision course with the Earth are being developed. Two planetary defense missions are the ESA Hera and the NASA DART mission. The former will follow the latter to the binary asteroid system Didymos. After the kinetic impact of the DART spacecraft into the secondary asteroid Dimorphos in 2022, altering its orbital period, the European mission will embark for detailed characterisation of the binary system. One payload of this mission is the GRAvimeter for small Solar System bodies (GRASS) to land on Dimorphos, for in-situ surface gravimetry. This will be the first-ever extraterrestrial surface gravimeter experiment on a small body. The presented PhD thesis contributed to this instrument development as is laid out in Part I of this document. After a literature review of various gravimeter working principles, the choice of a spring-based gravimeter type is justified. Following this, the instrument type is adapted to a space exploration mission, considering the harsh deep-space and small gravity environment, and the strong need to minimise the system. With the design in place, an analytical electromechanical gravimeter model has been developed, allowing to predict the general instrument behaviour in small gravity environments. This model did not only prove valuable in the early instrument electromechanical design and sizing, but remains a valuable tool for possible future gravimeter missions, directly allowing to change the design parameters and the targeted gravity. The preparation of gravimeters to any celestial target, but moreso the interpretation of the finally returned data to Earth demand excellent (surface) gravity simulations. Especially on small, generally non-spherical, bodies, this is non-trivial and addressed in Part II of this work. Firstly, the different contributions to gravity and the different existing gravitation modelling methods are introduced. This is followed by a comparison of three of these methods and the subsequent computation of surface gravity for different cases, including Hera's target. Finally, zooming in from the global to the local scale, the novel Wedge-Pentahedra Method (WPM) is presented, allowing to take into account local topography surrounding a gravimeter measurement location and influencing the measurement.

(fre) Les petits corps du système solaire occupent une position extrêmement intéressante dans la famille de corps céleste, car ils jouent un rôle clé dans la compréhension de la formation de notre system héliocentrique, et, finalement, de la vie. Contrairement aux planètes (telluriques) et aux plus grands satellites naturels (lunes), les petits corps ont connu beaucoup moins de transformation, quand on compare l’état actuel à celui du début du système solaire. Ces corps sont désormais nommés « capsule temporelle » du système solaire. Par conséquent, il n’est pas surprenant que diverses missions spatiales prennent ces corps pour cible. De plus, la science n’est pas la seule motivation : une nouvelle discipline, nommée « défense planétaire », voit le jour, s’intéressant aussi à la capacité à dévier de sa trajectoire un astéroïde en cours de collision apocalyptique avec la Terre. En particulier, les agences spatiales lancent deux missions de défense planétaire : la mission Hera de l’ESA, qui va suivre la mission DART NASA vers le système binaire d’astéroïdes Didymos. Après l’impact cinétique de la sonde spatiale DART sur l’astéroïde Dimorphos en 2022, qui a changé la période de son orbite, la mission européenne sera lancée pour une caractérisation détaillée du system binaire. Une des expériences de la mission est le gravimètre pour les petits corps du système solaire (GRASS), prévu d’atterrir sur Dimorphos pour mesurer l’accélération de la gravitation sur la surface. Ce sera la toute première expérience gravitationnelle de surface extraterrestre sur un petit corps. Cette thèse doctorale a contribué au développement de cet instrument, comme présenté dans la première Partie de ce document. Après l’étude de la littérature concernant les divers types de gravimètres, nous avons justifié et sélectionné le type de gravimètre utilisant un ressort. Par la suite, ce type d’instrument a été adapté pour une mission spatiale, en considérant l’environnement difficile, la gravité petite, et la nécessité absolue de miniaturisé l’instrument. Après avoir réalisé sa conception, une modèle analytique électromécanique du gravimètre est présenté, permettant de présager du comportement général de l’instrument dans un environnement de faible gravité. Ce modèle n’était pas seulement valable pour le design préliminaire électromécanique de l’instrument, mais reste, toute de même, un outil valable pour les missions futures éventuelles, en permettant de changer directement les paramètres de design et la gravité envisagée. La préparation du gravimètre pour une quelconque cible céleste, mais plus important, le traitement et l’interprétation des données ultimes retransmises vers la Terre, demande des simulations fines de la gravité. Celles-ci sont particulièrement non-triviales dans le cas de corps petits et non-sphériques, ce qui fait l’objet de la Partie deux de ce travail. Premièrement, nous détaillons les différentes contributions à la gravité et les différentes techniques de simulations utilisées. Nous comparons ensuite trois de ces méthodes et effectuons les simulations de la gravité de surface pour différents cas, et en particulier celle de cible de Hera. Finalement, en zoomant de l’échelle globale à l’échelle locale, la nouvelle méthode de coin-pentaèdres (WPM) est présentée. Cette méthode permet de prendre en considération le terrain local à proximité de l’endroit de la mesure gravitationnelle et de calculer, au bout du compte, son influence.